凹腔喷射超声速燃烧火焰结构实验研究

为加深对凹腔喷射超声速燃烧火焰结构的认识,利用OH基自发辐射成像和PLIF技术对凹腔上游横向喷注氢气的超声速燃烧流场进行研究.结果表明,火焰主要分布在凹腔剪切层附近及喷流内部,喷口附近没有火焰;燃料喷注当量比、燃料喷注位置及凹腔构型对火焰分布和火焰强度影响较大,在设计燃烧室时应加以考虑.     

基于超声速气流中凹腔主动喷注的强迫点火方案研究

为了进一步研究在入口来流Ma=2.1和T0=846K,p0=0.7MPa的条件下凹腔主动喷注对点火的影响,通过分析高速摄影拍摄的瞬态图像和合成后的统计图像对比了采用凹腔前壁面喷注、后壁面喷注等组合方式的三种乙烯点火方案,并对采用凹腔前壁和后壁面喷注相结合的组合喷注方式开展点火前冷态流场数值仿真分析。研究表明,在此工况条件下,凹腔前壁面喷注容易使燃料在凹腔角回流区内和火花塞处聚集,而凹腔后壁面喷注更加利于点火产生的初始火核在凹腔内传播,但在相同喷前压力下凹腔后壁面的喷注压降要更低;为了使燃料主动喷注后在凹腔内分布更加均匀,凹腔前壁面喷注位置应该设置在靠近剪切层处,而凹腔后壁面喷注位置应该设置在靠近凹腔底壁处;采用凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方式相比于单采用前壁喷注和单采用后壁面喷注的喷注方式,凹腔的燃料分布更加均匀,点火后凹腔内火焰更加均匀稳定。当凹腔主动喷注当量比达到0.03、全局当量比达到0.14时,火焰就能穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在串联凹腔中稳定地燃烧。     

超声速燃烧气动斜坡喷注器研究

为增强超声速燃烧过程的燃料混合,设计了通过喷嘴阵列形成流向涡强化混合的气动斜坡实验件.在直连式实验台上对气动斜坡实验件进行了纹影及油流谱等冷试实验研究.并采用大涡模拟(LES)方法数值模拟了超声速流场中气动斜坡的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡喷注器的喷嘴阵列设计能有效加速喷流后流向涡的卷起,提高掺混特性;其燃烧过程也能使喷流形成的剪切层上抬,增进混合;由于喷流方向与主流方向夹角较小,总压损失也较物理斜坡、横向喷流等混合增强方式小.      

单边扩张燃烧室燃烧非对称及非稳态现象研究

为了探究单边扩张超声速燃烧室在不同当量比下出现的多种模态及其内在机理,通过实验和数值模拟,对该构型燃烧室在并联凹腔对称喷注的工况下进行了系统研究。实验中,隔离段来流入口马赫数为3.46,来流总温为1486K;采用乙烯作为燃料,当量比范围从0.26到0.51。结果表明:燃烧室工况随着当量比的上升而改变,且可分为三个模态。当量比较低时(0.26),形成只有剪切层内有火焰的对称燃烧。当量比较高时(0.51),形成上凹腔为凹腔内燃烧、下凹腔为剪切层燃烧的非对称燃烧。当量比适中时(0.4),火焰在上下凹腔间来回震荡。在非稳态过程中,预燃激波串沿燃烧室轴向做周期性往复运动,定量分析表明火焰震荡的频率约为170Hz。燃烧震荡来源于分离区喷注与燃烧的耦合效应,震荡机制与涡无关,可能是由声振机制引起的凹腔自激震荡。     

凹腔结构对超声速燃烧室中横向燃料喷流流动与燃烧的影响

在超声速燃烧室的壁面上安装具有不同长深比、深度以及后壁倾角的凹腔,在凹腔上游壁面横向喷注燃料射流。分别利用掺有丙酮蒸气的氦气和氢气模拟不燃烧和燃烧两种情况下的横向燃料喷流,利用平面激光诱导荧光技术分别对流场中不同截面上的丙酮和氢氧基进行成像,同时对不燃烧情况下的喷流流场进行了数值仿真。研究发现:凹腔结构主要通过影响由凹腔后壁高压区向凹腔前壁传播高压扰动的行为来影响凹腔内部的静压分布,从而影响燃料的流动过程;凹腔长深比减小、深度或后壁倾角增大都有助于高压扰动的前传,导致燃料不易向凹腔内部偏转以及进入凹腔的燃料质量减少;凹腔长深比和深度的增加可增大凹腔内低速回流区的范围,有助于增强凹腔内部的燃烧以及火焰稳定能力;凹腔后壁倾角对燃料燃烧的影响不显著。     

气液喷流与超声速凹腔流场的相互作用

为了解凹腔火焰稳定器的工作过程,通过试验和数值仿真手段,对超声速条件下凹腔的流动特性进行了深入细致的研究,探讨了气/液喷流与超声速凹腔流动的相互作用机理。研究结果表明,无喷流时超声速凹腔流场具有五个典型的特征;引入喷流会引入新的流场特征,同时流场结构会发生机理性的变化;气/液喷流对凹腔整体流动特征的影响是一致的;有气体喷流时,不同压降下凹腔流场结构是类似的;而对液体喷流而言,提高喷注压降会增加雾化距离、射流穿透度、喷流厚度,提高来流速度则会使其减小。     

高速可压缩来流与凹腔驻涡相互作用及其物质输运特性研究

为了深入认知凹腔驻涡与高速可压缩来流之间的相互作用过程以及来流马赫数对上述动力学过程的内在影响规律,对长深比为1.0的单凹腔基础构型在常温、常压、Ma=0.3~0.7的高速可压缩来流下进行冷态非定常数值模拟,并基于拉格朗日视角研究来流与凹腔驻涡相互作用及其物质输运特性。结果表明：凹腔上方剪切层内旋涡结构仍然具有类似自由剪切层的周期性演化过程,主流与凹腔通过三次掺混进行物质输运;随着主流马赫数的增加,旋涡运动方式及凹腔-主流物质掺混机制都发生了本质上的改变,剪切层内旋涡和凹腔主涡涡量均呈现数量级式增长,剪切层旋涡结构脱落频率近似线性增长并逐渐卷吸至凹腔中部,进入凹腔的主流流体占比降低,但扩散程度和速度加快;此外,源于凹腔的流体流出唇口线后经剪切层的夹带作用回流占比增大,降低了凹腔-主流的整体质量交换水平;驻留参数整体衰减,高马赫数时仅为低速工况的1/2,显著降低了回流区对于流体驻留作用的贡献。     

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究,采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究,分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明,点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响,并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布;凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域,点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后,分别扩展形成凹腔驻留火焰,并向下游输运、掺混燃烧,建立预燃激波串,形成点火过程的正向压力反馈;凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响,采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布,有助于初始火核的形成,能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

超声速气流中凹腔主动喷注的强迫点火过程实验研究

为了研究在总温846K,总压0.7MPa,入口来流马赫数2.1的超声速来流条件下凹腔主动喷注对点火过程的影响,利用高速摄影相机进行观测,对比了凹腔前壁喷注、后壁面喷注等组合喷注方式下开展的发动机乙烯点火试验。基于对高速摄影图像处理的统计分析,研究发现在点火工况条件下,凹腔后壁面喷注相比于前壁喷注更容易使整个凹腔内形成稳定的火焰,当凹腔主动喷注当量比达到0.03时就能使凹腔内形成稳定的火焰;在凹腔后壁面喷注的条件下,当凹腔主动喷注当量比达到0.06,全局当量比达到0.17时,火焰就会穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧;凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方式能进一步促进初始火核的形成与传播,当凹腔主动喷注当量比达到0.05,全局当量比达到0.16时,火焰就能穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

驻涡燃烧室凹腔供油位置对流场影响的PIV实验

采用PIV(particle image velocimetry)技术,对凹腔供油位置不同时凹腔内的冷态流场进行对比研究.通过分析不同来流速度对腔内涡的形成及其稳定性的影响,从而研究不同供油位置对涡稳定的影响.实验表明,供油位置在凹腔前体,油气掺混孔处的射流对涡有破坏,供油位置在凹腔后体,油气掺混孔处射流对涡没有破坏作用,在不考虑供油方式等因素的情况下,凹腔后体供油优于凹腔前体供油.研究结论可为该驻涡燃烧室进一步的热态燃烧性能实验研究提供依据.      

低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究

为深入分析横流-射流(JICF)的流动特性及其中的复杂涡系结构,从流动机理上研究燃机叶片气膜冷却,揭示高温燃气流与冷却流的掺混机理,本文对横向流中单孔射流所形成的剪切涡开展了试验研究。主要研究了速度比、雷诺数及射流角对JICF所形成剪切涡的影响。结果表明:速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度,从而改变射流轨迹的曲率、高度及垂向渗透能力,最终改变剪切涡的特性;迎风涡与背风涡分别是由射流边界层涡与主流边界层涡形成的,当主流边界层涡强度大于射流边界层涡时,背风涡是流场的主导结构,反之,迎风涡将成为流场的主要涡系结构。     

超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟

冲击射流广泛应用于短距起飞垂直降落飞行器(SVTOL)等航空航天领域.本文采用大涡模拟方法对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟.本文数值模拟得到了高度欠膨胀冲击射流流场中的激波结构和内外剪切层中不同尺度的涡结构.数值结果观察到了马赫盘的振荡,以及在斜激波、马赫盘及大尺度涡结构的共同作用下,射流内外剪切层之间的环形激波的生成与消失的周期过程.并对流场内剪切层的涡结构的演化进行了研究,数值结果显示内剪切层的大尺度涡结构的形成与马赫盘的振荡相关,在内外剪切层的作用下形成了壁射流区内外交错的涡结构.     

连续旋转爆轰发动机冷流场的混合特性研究

连续旋转爆轰发动机（CRDE）中燃料和氧化剂的快速掺混是实现爆轰波成功起爆和稳定传播的重要前提,然而目前国际上关于这方面的研究还相对较少。本文采用大涡模拟（LES）方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。研究结果表明,非预混CRDE流场中存在欠膨胀特征、大尺度涡结构,以及回流区等复杂的流动现象,其中由于Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性产生的大尺度湍流涡结构是促进氢/氧混合的主要机制。此外,本文还考察了氧气喷注位置对非预混CRDE的流场结构和混合特征的影响,发现氧气喷注位置会影响射流剪切层形态、涡尺度,以及回流区分布等,进而影响氢气和氧气射流的混合过程和混合程度。与其他进气位置相比,氧气在靠近内壁面喷注时更有利于氢/氧的快速掺混。     

超声速弱欠膨胀冲击射流流场结构

为了对超声速弱欠膨胀冲击射流的流场结构细节进行研究,使用大涡模拟方法对其进行了数值模拟。利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-kutta法。亚格子尺度模型采用的是修正Sm agorinsky涡粘性模型。通过与经典的冲击射流实验比较,证明了程序的可靠性。数值模拟得到了剪切层以及壁面射流中的涡结构和主射流中的激波结构,并且在此基础上对涡合并和板前激波和涡干扰现象进行了深入研究。发现涡合并现象主要出现在流场的上游,越往下游出现的几率越小;涡和板前激波的相互作用会引起激波位置和强度以及冲击平板上冲击区的压强的显著变化,同时也会导致涡的变形。     

瞬时起动的空腔初期流动

采用有限体积方法求解非定常可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，研究了受限空腔在射流驱动下瞬时起动的空腔初期流动问题，数值计算结果给出了时间序列的速度矢量图和空腔出口流量随时间的变化，展示了射流、分离、剪切层和旋涡的相互作用及其演变过程。根据流动结构特征，将空腔的初期流动过程分为三个阶段：初始涡结构形成阶段、三涡结构形成阶段和两涡结构形成阶段。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。